Esta fase tem como objetivo definir os parâmetros considerados influentes na qualidade do processo de impressão dos parafusos e porcas.
Os parâmetros em análise, definidos com base na revisão bibliográfica, foram estudados segundo a metodologia de Taguchi, com o objetivo de minimizar o número de amostras necessárias. Os parâmetros selecionados— espessura de camada, velocidade de preenchimento dos perímetros, número de perímetros e temperatura de extrusão— foram analisados em dois níveis diferentes, encontrando-se os valores utilizados para cada nível descritos na Tabela 7.
Tabela 7 - Parâmetros do processo avaliados e níveis atribuídos.
Parâmetro Níveis Espessura de camada (mm) 0,1 0,3 Velocidade de preenchimento dos perímetros (mm/s) 20 60 Número de perímetros 1 3 Temperatura de Extrusão (ºC) 185 215
Tendo em conta o número de parâmetros em estudo e o número de níveis de cada parâmetro, foi selecionada uma matriz ortogonal de Taguchi do tipo L8, originando um total de 8 combinações de parâmetros diferentes, apresentadas na Tabela 8.
Tabela 8 - Matriz ortogonal de Taguchi, do tipo L8, com as diferentes combinações de parâmetros. Combinação Espessura de camada (mm) Velocidade de preenchimento dos perímetros (mm/s) Número de perímetros Temperatura de Extrusão (ºC) 1 0,1 20 1 185 2 0,1 20 3 215 3 0,1 60 1 215 4 0,1 60 3 185 5 0,3 20 1 215 6 0,3 20 3 185 7 0,3 60 1 185 8 0,3 60 3 215
Para cada combinação obtida foram produzidas três amostras, o que perfaz um total de 24 amostras. Estas amostras foram produzidas individualmente, sendo que as amostras referentes a cada condição foram obtidas de forma sequencial.
Após serem obtidas todas as amostras foram efetuadas três análises: análise dimensional, medição de massa e ensaios mecânicos de uma junta aparafusada. A metodologia seguida para cada uma destas análises é descrita nos seguintes pontos.
Os restantes parâmetros foram mantidos constantes ao longo de todo o processo. Os valores definidos para os mesmos são apresentados na Tabela 9.
Tabela 9 - Restantes parâmetros de impressão
Parâmetro Valor
Orientação de Construção Vertical4
Espaçamento entre filamentos
de preenchimento [mm] 0
Ângulo de preenchimento [º] 45
Largura do filamento
depositado [mm] 0,4
Diâmetro do bico extrusor
[mm] 0,4 Velocidade de Preenchimento [mm/s] 40 Multiplicador de Extrusão 0,9 Percentagem de Preenchimento [%] 100 Temperatura da plataforma de construção [ºC] 70
Estratégia de deposição Retilínea
(i) Análise Dimensional
A análise dimensional dos parafusos impressos foi feita com recurso a um paquímetro digital da marca Mitutoyo, modelo CD-6’’ASX, com uma resolução de 0,01mm. Foram efetuadas 5 medições do diâmetro maior do parafuso, sendo as mesmas realizadas ao longo de todo o comprimento do mesmo, apresentadas na Figura 55.
.
Figura 55 - Medições efetuadas ao longo do parafuso.
O valor do diâmetro do parafuso é obtido através da média aritmética das cinco medições realizadas, tendo sido este o valor utilizado para prosseguir com a análise.
No que toca às porcas em análise o procedimento foi em todo similar com o dos parafusos. Foram efetuadas 3 medições do diâmetro nominal da rosca do mesmo, variando entre si na direção que era efetuada a medição. O valor utilizado para a análise, tal como nos parafusos, resultou da média aritmética das três medições efetuadas.
Os valores obtidos foram a posteriori submetidos a uma análise estatística, com o objetivo de analisar a influência dos parâmetros nos mesmos.
(ii) Medição de Massa
A medição da massa dos componentes impressos foi feita através de uma balança eletrónica modelo HLD 300 da Scale House®, apresentada na Figura 56. Este equipamento apresenta uma resolução de ±0,05g.
(iii) Ensaios Mecânicos
De forma a estudar a resistência mecânica dos elementos obtidos, foi desenvolvido um ensaio mecânico que estudou a força suportada pelos parafusos ao corte. Este baseava-se numa junta simples aparafusada por um parafuso e porca, com as dimensões representadas na Figura 57.
Figura 57 - Junta simples aparafusada (Adaptado de McCarthy et al. (2002)).
De forma a manter a maior repetibilidade possível nos ensaios foi utilizada uma anilha quadrada de silicone com 2mm de espessura, apresentado na Figura 58, para fixar o parafuso a ensaiar no provete, uma vez que nem todas as porcas tinham definição de rosca que possibilitava a fixação do parafuso. Tal anilha desempenhava apenas funções de fixação, não sendo responsável pelo aperto dos componentes a ligar. O provete e parafuso devidamente preparados para a realização do ensaio encontram-se representados na Figura 59.
Figura 58 - Anilha de silicone utilizado na fixação do parafuso.
Figura 59 – Dispositivo de ensaio colocado na máquina de ensaios.
A máquina de ensaios utilizada, representada na Figura 60, trata-se de um equipamento da MTS®, modelo 812, do Laboratório de Ensaios Tecnológicos (LET) do Departamento de Engenharia Mecânica da FEUP. Juntamente com este equipamento foi utilizada uma célula de carga com capacidade de medição até 10kN em conjunto com o controlador FlexTest 40, ambos fornecidos pelo mesmo fabricante da máquina. O ensaios forma realizados a uma velocidade de 1mm/min.
Figura 60 - Máquina de ensaios utilizada.
No mesmo equipamento foram também realizados ensaios à tração de provetes impressos nas mesmas condições que os parafusos. Neste estudo foi apenas impresso um provete por condição, devido ao elevado tempo de impressão associado à orientação de construção definida.
As dimensões do provete seguem os valores da norma ISO 527-1:2012, sendo apresentada na Figura 61 um exemplo de provete impresso na orientação vertical, com os suportes gerados.
Foram obtidas as curvas tensão/deformação dos provetes ensaiados o que permite obter a tensão de rutura e o módulo de Young. Este último valor foi obtido através de uma regressão linear do domínio elástico do material. Tal como é referido na lei de Hooke, o módulo de Young é o declive da reta que o gráfico tensão/deformação traça, quando o material se encontra no domínio elástico, tendo sido este último o valor retirado da regressão linear (Shigley, Mischke e Budynas 2008). A regressão linear foi obtida limitando zonas das cuvas de tração cujos resultados obtidos mais se aproximavam ao comprimento de uma reta, sendo que os limites utilizados variam entre os diferentes ensaios realizados
Resultados
4.1 Estudos Iniciais
Seguidamente são apresentados os resultados obtidos nesta fase inicial, em que se pode observar com detalhe a rosca de diferentes parafusos.
Figura 63 - Rosca do parafuso M4.
Figura 65 - Rosca do parafuso M6.
Nas figuras anteriormente apresentadas, sequenciadas através da dimensão do modelo, é possível verificar um incremento da qualidade da rosca impressa, cuja relação aparenta ser diretamente proporcional à dimensão do modelo impresso. Tal incremento é observável através do perfil de rosca impresso, que apresenta um perfil mais denotado e uniforme quando são impressos parafusos de dimensão superior
Na Figura 62 é observável o perfil de rosca do parafuso M3, sendo visível a falta de definição da mesma, que resulta num parafuso inutilizável, uma vez que que não é verificável uma distinção clara entre diâmetros do perfil da rosca impressa. Nas Figura 63 e Figura 64 são apresentadas as rocas dos parafusos M4 e M5 respetivamente. Nestes modelos há uma melhor distinção entre diâmetro maior e diâmetro menor. No entanto, as roscas impressas não são satisfatórias ao nível da uniformidade. Ainda são bastante visíveis os perímetros dos filamentos depositados o que torna o perfil de rosca menos definido, dificultando assim o processo de enroscar.
Na Figura 65 é visível o perfil da rosca do parafuso M6 que apresenta uma maior uniformidade ao longo de todo o comprimento. No entanto, ainda apresenta uma definição bastante reduzida ao nível do perfil, sendo possível fazer a distinção entre diferentes filamentos. Por fim é apresentado o perfil da rosca do parafuso M10, na Figura 66. Este apresenta um perfil bastante mais definido e uniforme do que os anteriores, tendo sido, por estas razões, o escolhido para desenvolver o estudo.
A análise anterior permite identificar dois tipos de erros. Por um lado, certas dimensões apresentam uma variação pouco acentuada entre diâmetro exterior e interior da rosca, provocando uma falta de uniformidade do perfil ao longo do comprimento. Por outro lado, certos modelos apresentam uma baixa definição no perfil da rosca impressa. Ambos erros podem ser atribuídos à resolução do equipamento utilizado. A resolução de um equipamento FDM é definida por dois fatores: diâmetro do bico extrusor e espessura de camada. Estes são os dois fatores limitadores ao nível do detalhe que é possível obter nas peças impressas (Redwood, Schffer e Garret 2017).
No caso de um equipamento com um bico extrusor de 0,4mm de diâmetro, como é o caso do equipamento utilizado, a espessura máxima do filamento depositado é de 0,4mm. No entanto, a largura mínima à qual podem ser impressas paredes verticais com esta configuração é de 0,8mm, ou seja, duas vezes o diâmetro do bico extrusor, a fim de evitar a criação de paredes frágeis propensas a quebrar (González 2016; Relvas 2018). Em termos de nervuras, como é o caso das roscas, espessura mínima recomendada é de 0,6mm (Redwood, Schffer e Garret 2017). No caso da análise aos modelos das porcas, foi verificado que os modelos impressos de dimensão inferior a M10 apresentavam alguma dificuldade em roscar nos respetivos parafusos, sendo verificável que o furo roscado das porcas apresentava uma dimensão inferior à expectável.
Estas alterações dimensionais entre o modelo CAD e a peça obtida são explicadas pelo fenómeno de compressão do filamento extrudido, sendo tal compressão causada pelo próprio bico extrusor ou por material depositado em camadas superiores da peça. As forças de compressão alteram o perfil do filamento depositado, o que resulta em variações do diâmetro dos furos das peças, sendo este fenómeno esquematizado na Figura 67 (Redwood, Schffer e Garret 2017).
Figura 67 – Efeito da compressão no filamento depositado ao nível dos furos (adaptado de Redwood, Schffer e Garret (2017))
O fenómeno anteriormente descrito é inerente ao processo em si, sendo verificável em todos os furos impressos com valores relativamente aproximados. No entanto, é mais notória a sua influência quando os diâmetros dos furos nas peças impressas são de menores dimensões visto que o desvio do valor alvo, em termos percentuais, é superior (Sudin, Shamsudin e Abdullah 2016).
Em suma, do estudo realizado permitiu concluir que o modelo de parafuso de dimensão M10 seria o mais adequado para prosseguir com o trabalho visto que se tratava do modelo de dimensão mais reduzida, o que é um fator decisivo no que toca ao tempo de processamento do mesmo, que cumpria todas as exigências do projeto.
Com recurso novamente à plataforma Thingiverse, foi escolhido um parafuso de cabeça cilíndrica com oco hexagonal, cujas dimensões do modelo CAD seguem a norma ISO 4762. O comprimento selecionado foi de 25mm, de forma a minimizar o tempo de impressão do mesmo. A porca escolhida foi uma porca hexagonal que segue a norma ISO 4032.
As dimensões quer da porca quer do parafuso foram verificadas com recurso ao software
Meshmixer®, sendo as dimensões apresentadas na Figura 68 e Figura 69, tendo sido obtido o
Figura 68 - Análise da dimensão do diâmetro da rosca no Meshmixer®.